JP7437686B2 - 多軸リニアモータアクチュエータにおけるコイルユニット及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、多軸リニアモータアクチュエータにおけるコイルユニットの製造方法に関し、特に、多軸型の分注装置に適した多軸リニアモータアクチュエータにおけるコイルユニットの製造方法に関する。

リニアモータの一種に、リニアシャフトモータと呼ばれるものがある。リニアシャフトモータは、複数の筒状のコイルをその中心軸方向に積層してなるコイル部と、複数の永久磁石を、同磁極同士を対向させて直列に繋ぎ合わせ、繋ぎ合わせた複数の永久磁石よりも長い支持部材に固定してシャフトを構成してなる磁石部とを有し、コイル部の中心孔内に微小ギャップをおいてシャフトを挿通した構成となっている。そして、複数のコイルをＵ相、Ｖ相、Ｗ相の三相に分け、各相のコイルに１２０度ずつ位相のずれた交流電流を流し、永久磁石から発生される磁界と、コイルに流される電流との作用により、シャフトを中心軸方向に駆動する推力が得られるようにしている（特許文献１）。

このようなリニアシャフトモータは、電子部品のハンドリング装置、少量液体の吸引、吐出を行う分注装置等、様々な分野に適用されている。ハンドリング装置や分注装置等のいずれにおいても、通常は、リニアシャフトモータのシャフトを第１シャフトとし、この第１シャフトに、その中心軸方向と平行に中空状の第２シャフトを第１シャフトと一体に上下移動するように組み合わせてリニアモータアクチュエータとして提供されている。そして、第２シャフトの中空空間がエアによるハンドリングや液体の吸引、吐出に利用できるように構成されている。

例えば、ハンドリング装置の場合、第２シャフトの先端に真空吸着器のような治具を装着し、第１シャフトの上下移動に同期して電子部品のハンドリングを行うように構成されている（特許文献２）。一方、分注装置の場合、第２シャフトの先端にノズルを装着して分注ヘッドとし、第１シャフトの上下移動に同期してノズルの内部圧力を適宜増減させることにより、液体の吸引、吐出を行うように構成されている。

特開２０１７－１３９８６１号公報 特開２０１２－０９０４９２号公報

近年、上記のような第１シャフトと第２シャフトの組み合わせによるリニアモータアクチュエータを複数組、一列に並べて配置構成し、一括して同じ作業動作を行わせることで作業効率を向上させるようにした、多軸型のリニアモータアクチュエータと呼ばれるものが提供されている。多軸型のリニアモータアクチュエータは、例えば、個別に製造された上記のような分注装置を複数組、一列に並べて配置構成し、医薬品、化粧品、バイオなどの分野で分注作業を行うための多軸型の分注装置として適用することが行われている。多軸型の分注装置によれば、複数組の分注装置に対して一括して同じ作業動作を行わせるので、人の手作業による分注作業に比べて大幅な省力化と、分注ミスの防止に有効である。

これまでの多軸型の分注装置は、例えば臨床検査装置として、９６（８サンプル×１２列）検体用のマイクロプレートと組み合わされる場合、８組の分注装置が一列に並ぶように組み立てられて８軸同時制御型、すなわち多軸型の分注装置として構成されている。そして、多軸型の分注装置を搬送機構により液体（例えば試薬）の吸引場所と吐出場所（すなわちマイクロプレート）との間を往復移動させるように構成されている。よって、これまでの多軸型の分注装置は、個別に製造された複数組の分注装置の組み合わせにより製造されるのが一般的であり、同じ量の試薬を同じタイミングでマイクロプレートに吐出する分注作業のみ可能である。

しかしながら、第１シャフト（リニアシャフトモータ）と第２シャフトの組み合わせによるリニアアクチュエータを個別に製造したうえで、これを複数組組み合わせるというこれまでの多軸型の分注装置は、組立工程数、つまり製造工程数が多く、製造コストを削減しにくいという問題点がある。

一方、多軸型の分注装置に対し、複数組の分注装置のそれぞれを独立制御可能とする要求が高まっている。多軸独立制御型の分注装置によれば、同じ列であっても軸毎に個別の試薬量を個別のタイミングでマイクロプレートに吐出し、検体の反応をモニタリングすることができる。つまり、マイクロプレートに吐出する試薬量とタイミングをサンプル毎に設定することができ、試薬の吸引、吐出を自動化された制御形態で実行できることにより、客観的で信頼性の高い検査結果を得ることができる。

上記のような問題点や要求に鑑みて、本発明の課題は、多軸リニアモータアクチュエータにおける複数組のコイル部を一括して製造するのに適したコイルユニットの製造方法を提供することにある。

本発明の具体的な課題は、多軸独立制御型の分注装置における複数組のコイル部を一括して製造するのに適したコイルユニットの製造方法を提供することにある。

本発明の一態様によれば、複数の永久磁石を、同磁極同士を対向させて繋ぎ合わせ固定してシャフトを構成してなるリニアシャフトモータ用の磁石部と、複数の筒状のコイルを中心軸方向に繋ぎ合わせてなり、前記シャフトを、ギャップを介して同心状に内包しつつ前記シャフトとの間でその軸方向に関して相対的移動可能に組み合わされたリニアシャフトモータ用のコイル部とを備えたリニアシャフトモータを、所定ピッチで複数組一列に配置して成る多軸リニアモータアクチュエータにおけるコイルユニットの製造方法であって、
前記複数組と同数の複数の前記コイル部を前記所定ピッチで一列に並べた状態で受入れ可能な受入れ部を持つコイル固定部材を用意する工程と、
前記コイル固定部材に、前記複数のコイル部を一列に並べて配置する工程と、
前記一列に並べて配置された前記複数のコイル部の少なくとも隣接するコイル部間に対応する箇所に軸方向に沿って前記コイル部よりも長い板状の磁気遮蔽板を配置する工程と、
前記受入れ部における前記複数のコイル部と前記磁気遮蔽板との間に硬化性の樹脂を流し込んで硬化させる工程と、
を含む多軸リニアモータアクチュエータにおけるコイルユニットの製造方法が提供される。

なお、前記シャフトは、前記複数の永久磁石を繋ぎ合わせたものを、非磁性材による筒体に収容してなり、
前記コイル部は、前記複数のコイルを一体化するように当該コイル部に挿通されたコイル一体化筒であって、前記筒体の外径より大きな内径と、当該コイル部の両端から突出した突出部を持つ長さとを持つ樹脂製のコイル一体化筒を有し、
前記コイル固定部材の前記受入れ部は、前記一列に並べて配置される前記複数のコイル部の受入れ空間の底面を規定する底壁と、前記受入れ空間を前記コイル部の軸方向と平行方向に関して規定するように互いに対向し合う一対の壁部材と、前記複数のコイル部から突出している前記突出部が挿入される複数の貫通孔を有して、前記複数のコイル部の両端側における前記一対の壁部材の間に設けられる一対のコイルエンドであって、少なくとも一方が前記底壁に取り外し可能にされたコイルエンドとを有する、ことが好ましい。

また、前記磁気遮蔽板は、前記複数の永久磁石の可動範囲に亘る長さを有して、前記一対のコイルエンドのそれぞれに、前記受入れ空間の深さ方向に設けられた複数のスリットに装着され、
前記磁気遮蔽板の幅は前記受入れ空間の深さよりも大きく、かつ少なくとも前記受入れ空間領域の一部領域に対応する部分の幅を前記受入れ空間の深さと同程度とすることにより、前記受入れ空間領域の一部領域に対応する部分に回路基板を取付け可能な構成とする、ことが好ましい。

本発明によれば、多軸リニアモータアクチュエータにおける複数組のコイル部を一括して製造することができるので、多軸リニモータアクチュエータの組立工程数、製造工程数を低減することができ、その結果、製造コストの削減に有効なコイルユニットの製造方法を提供することができる。

本発明に係る製造方法により製造された８軸独立制御型の分注装置の斜視図である。 図１に示された８軸独立制御型の分注装置から、複数のリニアシャフトモータと複数の分注ヘッド及びこれらの上下の連結部材を抽出して示した斜視図である。 図１に示された８軸独立制御型の分注装置から、図中左側の４組のリニアシャフトモータと分注ヘッドの組み合わせ（４軸独立制御型の分注装置）を抽出して示した斜視図である。 図１のＡ－Ａ´線による縦断面図である。 図１に示された８軸独立制御型の分注装置から、１組のリニアシャフトモータと分注ヘッドの組み合わせ及びこれらの上下の連結部材を抽出して示した側面図である。 図５に示されたリニアシャフトモータの一部の内部構造を示した断面図である。 図４に示されたリニアシャフトモータと分注ヘッド及びこれらの周辺部材の組み合わせから、磁気遮蔽板を取り外して示した部分断面側面図である。 図４に示された分注ヘッドの主要部の縦断面図である。 図１に示された８軸独立制御型の分注装置における一対のコイルユニット及びセンタープレートと、これらを側面で連結する連結板とを、分解して示した斜視図である。 本発明を４軸独立制御型の分注装置に適用する場合のコイルユニットの製造過程を、順を追って説明するための斜視図である。 図１０に示されたコイルユニットの構成要素であるコイル部の斜視図である。 図１０に示されたコイルユニットを、その一部を分解して示した斜視図である。 図１０に示されたコイルユニットに取付られる回路基板の一例を示した図である。 図９に示された一対のコイルユニットの左側のコイルユニットを別角度から見た斜視図である。 図１に示された８軸独立制御型の分注装置における上側連結部材の配置形態を示す上面図である。 図１に示された８軸独立制御型の分注装置における上側連結部材の上動位置を検出する検出手段を説明するための斜視図である。 図１６に示された検出手段の設置形態の一例を説明するための図である。 リニアシャフトモータにおける位置制御のために設置される一対のホールセンサの取付間隔について説明するための図である。 リニアシャフトモータにおける第１シャフトのラジアル方向の外部磁界を計測した結果を示す図である。 ホールセンサによるリニアシャフトモータの位置制御系の構成を示すブロック図である。

本発明によるコイルユニットの製造方法の好ましい実施形態について説明する前に、図１～図９を参照して、本発明の実施形態を適用して製造された８軸独立制御型の分注装置について説明する。

図１、図２は、本発明が適用された８軸独立制御型の分注装置（以下、８軸分注装置と呼ぶことがある）を示し、図３は、８軸独立制御型の分注装置の半分、すなわち４軸独立制御型の分注装置（以下、４軸分注装置と呼ぶことがある）を示す。図４は、図１のＡ－Ａ´線による縦断面図である。図５は、図１に示された８軸独立制御型の分注装置から、１組のリニアシャフトモータと分注ヘッドの組み合わせ及びこれらの上下の連結部材を抽出して示した側面図である。また、図６は、リニアシャフトモータの一部の内部構造を示した断面図である。

はじめに、リニアシャフトモータの内部構造について説明するが、この種のリニアシャフトモータは良く知られているので、簡単な説明にとどめることとする。

図６を参照して、リニアシャフトモータ１０は、中心軸方向に着磁した複数の永久磁石１２を、同磁極同士を対向させて直列に繋ぎ合わせた状態で、非磁性材料による筒体（支持部材）１３に収容、固定したものを第１シャフト１１として有する。筒体１３は、複数の永久磁石１２の全長以上の長さを持つ。永久磁石１２を収容している筒体１３部分は、リニアシャフトモータ１０用の磁石部と呼ばれても良い。このような磁石部は、後述するように、同形、同磁力の永久磁石１２を対向させることで、シャフト１１（磁石部）の周辺には、軸方向にＮ極とＳ極が同ピッチで交互に現れ、その表面磁束密度を測定すると正弦波形となる。リニアシャフトモータ１０はまた、第１シャフト１１を、ギャップを介して同心状に内包するように複数の筒状のコイル１４を直列に繋ぎ合わせてなるものを、コイル部１５として有する。コイル部１５は、樹脂製のコイル一体化筒１６の外周側に複数の筒状のコイル１４を中心軸方向に直列に繋ぎ合わせて一体化しており、コイル一体化筒１６は、筒体１３の外径より大きな内径を有している。第１シャフト１１とコイル部１５は、中心軸方向に相対的移動可能に構成されるが、ここでは、第１シャフト１１が可動部、コイル部１５が固定部となるように構成されている。

コイル部１５は、三相リニアモータを構成するために、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の少なくとも３個のコイル１４からなる。そして、それぞれのコイル１４には電気的に１２０度の位相差を持つ交流電流を流し、各コイル１４への通電を制御することにより、永久磁石１２から発生される磁界と、コイル１４に流される電流との作用により、第１シャフト１１を中心軸方向に駆動する推力が得られるように構成している。

なお、本明細書において「永久磁石を繋ぎ合わせる」という意味は、図６に示すように、永久磁石１２同士を直接繋ぎ合わせるだけでなく、磁気特性や、反発力を抑制して組立て易くするという製造工程を考慮して、隣接する永久磁石１２の間に軟鉄等の軟磁性体やラジアル方向に磁化した別の永久磁石をポールピースとして介在させて繋ぎ合わせることも含む。

電源を含むリニアモータ駆動回路や、リニアモータ制御回路等は、良く知られており、本発明の要部ではないので、回路の図示、説明は省略し、位置制御系について後で簡単に説明する。

図４、図５を参照して、リニアシャフトモータ１０は、第１シャフト１１の下側、上側にそれぞれ、下側連結部材３１、上側連結部材３２が固定されている。それゆえ、固定部としてのコイル部１５に対して第１シャフト１１が上下動するのに伴って、下側連結部材３１、上側連結部材３２も一体的に上下動する。

下側連結部材３１及び上側連結部材３２には、第１シャフト１１の中心軸と平行に分注ヘッド４０が取り付けられている。分注ヘッド４０は、図８をも参照して、下側連結部材３１と上側連結部材３２との間隔よりも長い長さを持つ中空の筒状体によるヘッド本体４１を有し、ヘッド本体４１の上端部には上側連結部材３２からわずかに突出している突出部４１－１を有する。一方、下側連結部材３１から突出しているヘッド本体４１の下部には、先端にチップ４２を装着したノズル部４３が取り付けられている。分注ヘッド４０は、下側連結部材３１、上側連結部材３２を介して第１シャフト１１と一体に上下動する。分注ヘッド４０は、ノズル部４３よりも上方の部分、すなわちヘッド本体４１をスプライン軸として、その中心軸周りの回転を防止する構造となっている。すなわち、スプライン軸となるヘッド本体４１の外周に、中心軸方向に延びるスプライン溝（又は突条）を設けている。一方、下側連結部材３１の上方側の近くにボールスプライン４４を固定部として設け、その内周側に中心軸方向に延びる突条（又は溝）を形成している。そして、スプライン溝（又は突条）が突条（又は溝）に嵌りこむようにヘッド本体４１をボールスプライン４４に装着している。上側連結部材３２とボールスプライン４４との間のヘッド本体４１の周囲にはまた、分注作業のオフ時、すなわちリニアシャフトモータ１０の電源オフ時に、分注ヘッド４０の落下を防止して分注ヘッド４０を所定の下限位置で保持するための圧縮バネ４５が設けられている。

第１シャフト１１の上端部を上側連結部材３２に固定するため、本実施形態では、図１に示されるように、上側連結部材３２に、第１シャフト１１を挿通するための貫通孔３２ａを形成すると共に、貫通孔３２ａから上側連結部材３２の一端に至るすり割り３２ｂを形成している。更に、上側連結部材３２の前記一端側に、一方の側面側からすり割り３２ｂを横切って他方の側面側に向かう、六角穴付ネジ３４をねじ込み可能にしている。このような構造により、貫通孔３２ａに挿入された第１シャフト１１の上端部は六角穴付ネジ３４の締付けにより貫通孔３２ａ内に固定される。

第１シャフト１１の下端側についても上記と同様の固定構造が適用される。すなわち、図２、図５をも参照して、下側連結部材３１に形成された貫通孔３１ａに挿通された第１シャフト１１の下端部が、六角穴付ネジ３５の締付けにより貫通孔３１ａ内に固定される。

ヘッド本体４１の上端側及びノズル部４３よりも少し上方のヘッド本体４１の途中部分も、上記と同様の固定構造(貫通孔とすり割り及び六角穴付ネジの組合せ)が適用されることにより、六角穴付ネジ３６及び３７の締付けによって上側連結部材３２の貫通孔３２ｃ内及び下側連結部材３１の貫通孔３１ｃ内に固定される。

コイル部１５及びボールスプライン４４を固定部として作用させるための構造については後述する。

図３から理解できるように、４軸分注装置は、リニアシャフトモータ１０と分注ヘッド４０の組み合わせ４組からなり、４個のリニアシャフトモータ１０と４個の分注ヘッド４０がそれぞれ、互いに平行な異なる平面内で一列に並ぶように組み合わされてなる。

図４、図７をも参照して、４個のリニアシャフトモータ１０を一列に並べて配置するためにコイル固定部材５０が用いられる。一方、４個の分注ヘッド４０を一列に並べて配置するためにセンタープレート６０が用いられる。センタープレート６０は、図９をも参照して、８軸分注装置に適用する場合、一対の４軸分注装置で共用される。このため、センタープレート６０は、対の一方の４軸分注装置の分注ヘッド４０と、対の他方の４軸分注装置の分注ヘッド４０を交互に並べて収容する８個の収容空間６０ａを有する。この収容空間６０ａには、ボールスプライン４４が収容されると共に、圧縮バネ４５を装着した分注ヘッド４０の一部が収容される。ボールスプライン４４は、センタープレート６０の側壁からねじ込まれた複数（ここでは、２個）のネジ６１により、収容空間６０ａ内で中心軸周りに回転しないように固定される。図７には、対の一方の４軸分注装置の分注ヘッド４０用のボールスプライン４４に適用されるネジ６１を示しているが、図９に示されるように、センタープレート６０の反対側の側壁には、対の他方の４軸分注装置の分注ヘッド４０用のボールスプラインを固定するためのネジ６２がねじ込まれる。

後述するので、ここでは簡単に説明するが、図３に示すような４軸分注装置は以下のようにして組立てられる。但し、図３に示す４軸分注装置は、説明をわかり易くするための、いわば一部省略図であり、図３に示すような形態に製造されるものではない。これは、分注ヘッド４０は、図７、図９で説明したセンタープレート６０に収容された状態で８軸分注装置に組み込まれるからである。

はじめに、コイル固定部材５０内に４個のコイル部１５を、一定間隔をおいて並べて配置、固定した後、各コイル部１５に第１シャフト１１を挿通する。続いて、各第１シャフト１１の下端部及び上端部にそれぞれ、下側連結部材３１及び上側連結部材３２を固定する。次に、センターポール６０の収容空間６０ａに１個おきで収容された４個の分注ヘッド４０からチップ４２及びノズル４３を取外し、ヘッド本体４１の下側部分を下側連結部材３１に固定すると共に、ヘッド本体４１の上端側を上側連結部材３２に固定する。その後、ヘッド本体４１にノズル４３及びチップ４２を装着する。以上のようにして、図９に示すセンタープレート６０の一方の側壁側に８軸分注装置の半分の４軸分注装置が組立てられ、同様にして、センタープレート６０の他方の側壁側に８軸分注装置の残り半分の４軸分注装置が組立てられる。その結果、図１に示されるような８軸分注装置が出来上がるが、この組立は。後でも説明される。

次に、図１０～図１４をも参照して、本発明の要部である、コイルユニットの製造方法について説明する。

図１０は、本発明を４軸独立制御型の分注装置に適用する場合のコイルユニットの製造過程を、順を追って示した斜視図である。

図１０において、はじめに、４組のコイル部１５を所定ピッチＰ１で一列に並べた状態で受入れ可能な受入れ部５１を持つコイル固定部材５０を用意する（図１０（ａ））。コイル部１５は、図１１をも参照して、樹脂製のコイル一体化筒１６の外周に複数のコイル１４を直列につなぎ合わせて固着してなる。コイル一体化筒１６は、第１シャフト１１の外径よりわずかに大きな内径と、複数のコイルのうちの両端のコイル１４から突出した突出部１６－１を持つ長さとを持つ。前述したように、複数のコイル１４は、Ｕ相－Ｖ相－Ｗ相の３個を１組として配列され、デルタあるいはスター結線が施される。

次に、図１０（ｂ）に示すように、コイル固定部材５０の受入れ部５１に、４組のコイル部１５を所定ピッチＰ１で一列に並べて配置する。

コイル固定部材５０の受入れ部５１は、図１２を参照して、一列に並べて配置される４組のコイル部１５の受入れ空間の底面を規定する底壁５１ａと、受入れ空間をコイル部１５の軸方向と平行方向に関して規定するように互いに対向し合う一対の壁部材５１ｂと、４組のコイル部１５の両端側における一対の壁部材５１の間に設けられる一対のコイルエンド５２とで形成される。コイル固定部材５０の両端側は、後述する回路基板に実装される電気回路との接続空間を確保するために凹部とされている。コイルエンド５２は、４組のコイル部１５の両端から突出しているコイル一体化筒１６の突出部１６－１が挿入される４つの貫通孔５２ａを有し、底壁５１ａにネジ止めにより取外し可能に固定される。突出部１６－１の突出長はコイルエンド５２の板厚、すなわち貫通孔５２ａの長さより短い方が望ましい。

コイルエンド５２を底壁５１ａから取外し可能にしているのは、複数のコイル１４の全長を、一対のコイルエンド５２の間隔とほぼ同じにしているからである。つまり、図１２に示されるように、コイル受入れ部５１の底壁５１ａに固定された一方のコイルエンド５２の４つの貫通孔５２ａに４組のコイル部１５の一方の突出部１６－１を挿入して４組のコイル部１５を受入れ部５１に配置した後、他方のコイルエンド５２を、その貫通孔５２ａに４組のコイル部１５の他方の突出部１６－１を挿入した状態で底壁５１ａにネジ止め固定する。

コイルエンド５２にはまた、受入れ部５１に配置された４組のコイル部１５の軸方向に平行な両側に、後述する磁気遮蔽板７０（図１０（ｃ））を設置するための５個のスリット（第２スリット）５２ｂが形成されている。言い換えれば、スリット５２ｂは、貫通孔５２の両側で、受入れ空間の開口側から深さ方向に形成されている。なお、一対のコイルエンド５２は、少なくとも一方が底壁５１ａに取外し可能にされていればよい。

図１０（ｂ）のコイル部１５の配置工程に続いて、図１０（ｃ）を参照して、一列に並べて配置された４組のコイル部１５の軸方向に沿った両側にそれぞれ、コイル部１５よりも長い磁気遮蔽板７０を配置する。つまり、一対のコイルエンド５２のスリット５２ｂに１枚ずつ、合計５枚の磁気遮蔽板７０を装着する。磁気遮蔽板７０は、隣り合うコイル部１５及び第１シャフト１１内の永久磁石１２により隣り合うリニアシャフトモータが互いに干渉（例えばコギング）し合うのを防止するためのものであるので、高透磁率材料、例えばＳＰＣＣ（冷間圧延鋼鈑）からなり、少なくとも第１シャフト１１内の複数の永久磁石１２の可動範囲に亘る長さを有する。また、磁気遮蔽板７０の幅は受入れ部５１の受入れ空間の深さよりも大きく、かつ少なくとも受入れ空間領域の一部領域に対応する部分の幅を受入れ空間の深さと同程度としている。これは、図１４を参照して後述されるように、受入れ空間領域の一部領域に対応する部分に回路基板８０を取付け可能な構成とするためである。

続いて、図１０（ｄ）を参照して、受入れ部５１におけるコイル部１５と磁気遮蔽板７０との間に硬化性の樹脂（接着剤）７５を流し込んで硬化させる。

なお、磁気遮蔽板７０は、少なくとも隣り合うコイル部１５の間に対応する箇所に設けられれば良く、最も外側の２枚は省略されても良い。

図１３は、図１０の製造方法により作られたコイルユニットにおける受入れ空間の開口側に設置される回路基板８０の一例を示し、図１４は、回路基板８０をネジ止めにより設置したコイルユニットの例を示す。回路基板８０は、４組のコイル部１５の一部を露出させるための切欠き８１を有すると共に、磁気遮蔽板７０の板幅の大きい幅広部の回路基板８０からの突出を許容するための５個のスリット（第１スリット）８２を有する。切欠き８１は、その周縁に形成されたコイル結線用の導電パターン８４と４組のコイル部１５との電気接続（図示省略）を容易にするために形成される。一方、スリット８２は、回路基板８０の上側となる位置に形成されているので、運用時に、万一、磁気遮蔽板７０が接着不良により受入れ部５１から剥離したとしても、幅広部の下端部がスリット８２の下端縁に引っかかることにより、磁気遮蔽板７０がマイクロプレートまで落下することを防止する。

図１３及び図１４において、８３は、第１シャフト１１内の永久磁石１２の位置を検出するための一対の磁気センサ、例えばアナログホールセンサ（以下、ホールセンサと略称する）であり、リニアシャフトモータ１０における第１シャフト１１の位置制御のために使用される。一対のホールセンサ８３は、第１シャフト１１に対応した位置であって磁気遮蔽板７０の幅広部に隣接する位置に、第１シャフト１１の移動方向に所定の取付間隔をおいて設置される。一対のホールセンサ８３の取付間隔は、図１８に示すように、第１シャフト１１（永久磁石１２）の表面磁束密度の波形の電気角９０度に設定される。これは、本発明者らが、リニアシャフトモータ１０のラジアル方向の外部磁界を計測した結果、図１９に示すように、第１シャフト１１（永久磁石１２）の表面磁束密度は第１シャフト１１の表面からある程度離れてゆくと正弦波に近い波形になってゆくという知見を得たことに基づいている。本実施形態では、図１９に示されるような計測データを参照しながら、正弦波により近いデータが得られる位置を、ホールセンサ８３の設置場所として決定するようにしている。なお、本実施形態では、以下の理由により、一対のホールセンサ８３を、回路基板８０の表面側（受入れ部５１側と反対側の面）であって、２枚の磁気遮蔽板７０の板幅の大きい部分の間に設置するようにしている。つまり、回路基板８０にスリット８２を形成することで、磁気遮蔽板７０の板幅の大きい部分をコイル固定部材５０の受入れ部５１内まで延ばしている。これは、２枚の磁気遮蔽板７０の板幅の大きい部分の間に設置されている一対のホールセンサ８３に対して隣接するリニアシャフトモータ１０からの磁界の影響を受けないようにするためである。回路基板８０に実装される電気回路は、主に、複数のコイル１４と接続されて４個のリニアシャフトモータ１０を駆動、制御するための回路であるが、回路については説明を省略し、図２０を参照して、リニアシャフトモータ１０の位置制御系について説明する。

図２０は、リニアシャフトモータ１０の位置制御系のブロック図であり、この位置制御系が各軸のリニアシャフトモータ１０に設置される。ただし、マイコン８８については、すべての軸のリニアシャフトモータ１０に共通とすることができる。この位置制御系は、回路基板８０上に設置されている２つのホールセンサ８３と、２つのホールセンサ８３からの検出信号を処理するオペアンプ８５と、オペアンプ８５からの信号をデジタル化するインターポレータ８６と、インターポレータ８６からのデジタル信号に基づいてリニアシャフトモータ１０の第１シャフト１１を駆動、制御するモータ駆動回路８７と,モータ駆動回路８７に対して、リニアシャフトモータ１０の駆動に必要な移動量、移動速度、方向信号等の動作指令を出力するマイコン８８とを含む。

この位置制御系は、２つのホールセンサ８３の検出信号から正の電圧信号に加えて負の電圧信号を生成する場合（信号反転ありの場合）と、２つのホールセンサ８３の検出信号から正の電圧信号のみを生成する場合（信号反転なしの場合）とで２通りの制御形態がある。図２０は、信号反転なしの場合を示しているが、信号反転ありの場合には、オペアンプ８５以降の出力信号線の本数が異なることになる。

（信号反転なしの場合）
１．第１シャフト１１の表面磁束密度をホールセンサ８３で検出し、アナログ電圧信号として出力する。第１シャフト１１の表面磁束密度は、軸方向に沿って正弦波となっており、永久磁石１２の磁極ピッチ（以下、マグネットピッチと呼ぶ）の１／４で２つのホールセンサ８３を配置し、検出を行うと、電気角で９０度位相のずれた２つの正弦波電圧信号、つまり正弦波（以下、Sin波）電圧信号、余弦波（以下、Cos波）電圧信号を生成することができる。

２．２つのホールセンサ８３から出力されたアナログ電圧信号はオペアンプ８５に入力される。オペアンプ８５は、２つのホールセンサ８３の出力電圧をドライバ入力に適合するように調整する。

３．ドライバのインターポレータ８６で、オペアンプ８５から入力された２つのアナログ信号をデジタル化し、指定のビット数で分割する。この分割数は、分解能（マグネットピッチ / 分割数）を規定し、例えば、マグネットピッチ２４ｍｍ、分割数２^１４の場合、分解能は１．５μｍである。これにより、２つのアナログ電圧信号（Sin波電圧信号、Cos波電圧信号）は電気角で９０度位相のずれた２つの矩形波信号（位置信号）になる。

４．モータ駆動回路８７で、インターポレータ８６から入力された２つの矩形波信号により第１シャフト１１（分注ヘッド４０）の現在位置、速度を検知し、リニアシャフトモータ１１（コイル部１５）に位置制御指令を出す。

（信号反転ありの場合）
１．第１シャフト１１の表面磁束密度を２つのホールセンサ８３で検出し、アナログ電圧信号として出力する。第１シャフト１１の表面磁束密度は、軸方向に沿って正弦波となっており、永久磁石１２の磁極ピッチ（以下、マグネットピッチと呼ぶ）の１／４で２つのホールセンサ８３を配置し、検出を行うと、電気角で９０度位相のずれた２つのアナログ正弦波電圧信号、つまりSin波電圧信号と、Cos波電圧信号を生成することができる。

２．2つのホールセンサ８３から出力された２つのアナログ電圧信号はオペアンプ８５に入力される。オペアンプ８５は、入力された２つのアナログ電圧信号（Sin波電圧信号、Cos波電圧信号）のそれぞれについて反転信号を生成する。これにより、ホールセンサ８３から入力されたSin波電圧信号、Cos波電圧信号の他に、-Sin波電圧信号、-Cos波電圧信号が生成されて４つのアナログ信号になる。また、オペアンプ８５は、ホールセンサ８３の出力電圧をドライバ入力に適合するように調整する。別の制御形態として上述したように、Sin波電圧信号、Cos波電圧信号の２つだけでも良いが、-Sin波電圧信号、-Cos波電圧信号を生成することでノイズに強くなる。

３．ドライバのインターポレータ８６で、オペアンプ８５から入力された４つのアナログ信号をデジタル化し、指定のビット数で分割する。マグネットピッチ と分割数で表される分解能は、上述した通りである。これにより、４つのアナログ電圧信号は４つの矩形波信号（位置信号）になる。

４．モータ駆動回路８７で、インターポレータ８６から入力された４つの矩形波信号（位置信号）により、第１シャフト１１（分注ヘッド４０）の現在位置、速度を検知し、リニアシャフトモータ１１（コイル部１５）に位置制御指令を出す。

次に、図９を参照して、８軸独立制御型の分注装置を組立て製造する手順について説明する。８軸独立制御型の分注装置は、上記の製造方法により製造されたコイルユニットを用いて図３で説明した４軸独立制御型の分注装置を組立て製造した後、一対の４軸独立制御型の分注装置を、センタープレート６０を介して回路基板８０が対向し合うように配置した状態で、分注装置及びセンタープレート６０の長手方向両端において連結板９０により一体化するように組み合わせて構成される。

連結板９０は、コイル固定部材５０の両端に形成された凹部に対応する凹部を両側に持つエの字形状を有し、一対のコイル固定部材５０の長手方向の端面と、センタープレート６０の長手方向の端面に対して、それぞれ２箇所で六角穴付ネジ９１により取り付けられることにより、一対の４軸独立制御型の分注装置とセンタープレート６０とが一体化される。

図９においては、便宜上、図５で説明した４軸独立制御型の分注装置におけるリニアシャフトモータ１０と、分注ヘッド４０と、下側連結部材３１、及び上側連結部材３２等は図示を省略しているが、前述したように，図３に示された４軸独立制御型の分注装置における４個の分注ヘッド４０をセンタープレート６０の収容空間６０ａに収容した状態で、一対の４軸独立制御型の分注装置とセンタープレート６０が、それらの両端側で２枚の連結板９０により一体化されて、図１に示されるような８軸独立制御型の分注装置となる。特に、リニアシャフトモータ１０のピッチ（間隔）をＰ１とした時、図１５に示すように、一対の４軸独立制御型の分注装置の一方の分注装置における４個のリニアシャフトモータ１０の配列と、他方の分注装置における４個のリニアシャフトモータ１０の配列がＰ１／２ピッチだけずれるように設定されている。

このために、一対の４軸独立制御型の分注装置のうち、一方の分注装置における４個の分注ヘッド４０と、他方の分注装置における４個の分注ヘッド４０が、センタープレート６０の８個の収容空間６０ａに交互に収容された状態で一体化される。その結果、８軸独立制御型の分注装置として見た場合、８個の分注ヘッド４０のピッチ（間隔）Ｐ２が小さくても、リニアシャフトモータ１０のピッチ（間隔）Ｐ１を大きくとることができ、永久磁石１２やコイル１４のサイズ等を小さくしなくても隣り合うリニアシャフトモータ１０相互の磁界の干渉による誤動作を防止することができる。

なお、本実施形態に係る８軸独立制御型の分注装置は、液体の吸引位置と吐出位置の間を往復するための搬送機構（図示省略）に組付けられる。そこで、一対のコイル固定部材５０とセンタープレート６０を搬送機構の一部に固定することで連結板９０を省略するようにしてもよい。

次に、図１６、図１７を参照して、上側連結部材３２の上動位置（上限位置）を検出することで分注ヘッド４０による液体の吐出、吸引のための位置制御に必要な位置検出手段について説明する。図１６は、図１に示された８軸独立制御型の分注装置における上側連結部材３２の上動位置を検出する検出器１００を説明するための斜視図である。また、図１７は、図１６に示された検出器１００の設置形態の一例を説明するための図であり、（ａ）は８軸独立制御型の分注装置の側面図、（ｂ）は８軸独立制御型の分注装置の斜視図である。

本例では、一対のホールセンサ８３からの位置検出信号によるリニアシャフトモータ１０の位置制御とは別に、上側連結部材３２の上動位置を上限位置として検出することで同じ組の分注ヘッド４０の上動位置を検出するようにしている。このために、図１６に示すように、それぞれの上側連結部材３２において、その中央に近い上端面に中空軸状の被検出突起１０１を設け、被検出突起１０１が所定の位置まで上動した時に光が遮断されるようにフォトセンサ１０２をリミットセンサとして設けている。フォトセンサ１０２は、図１７（ａ）、（ｂ）に示されるように、上側連結部材３２の上動位置よりも高い位置に、センタープレート６０に固定された支持柱１１０を介してセンサ設置基板１１１を固定配置し、８軸独立制御型の８個の被検出突起１０１に対応するように８個のフォトセンサ１０２をセンサ設置基板１１１上に設置している。８軸独立制御型の分注装置において、リニアシャフトモータ１０、分注ヘッド４０、下側連結部材３１及び上側連結部材３２を可動部とした場合、センサ設置基板１１１（フォトセンサ１０２）は、一対のコイル固定部材５０、センタープレート６０と共に固定部となる。

なお、検出器１００は、液体の吸引、吐出の分注作業に伴う分注ヘッド４０の上動位置を検出する手段だけでなく、分注作業を開始する際の原点位置決めを行う手段としても利用される。原点位置決めというのは以下のとおりである。

分注動作開始時、被検出突起１０１がフォトセンサ１０２の光路を遮断し、フォトセンサ１０２から検出信号が出力されるまで各分注ヘッド４０の上動動作を行う。この動作によりフォトセンサ１０２から出力された検出信号を基準としてオフセット動作を行う。オフセットされた位置は、各軸同じ高さになるため、この位置を、後述するリニアシャフトモータ１０の位置決め制御の基準点として利用する。

また、図１６、図１７では、フォトセンサ１０２の一端側から信号伝送用のケーブル１０３が延びているが、便宜上、一部のみを残して切断して示している。

［実施形態の効果］
（１）上記の８軸独立制御型の分注装置について言えば、前述したように、８軸という多軸であってもリニアシャフトモータ１０のピッチ（間隔）Ｐ１を小さくせずに済むので、その分、永久磁石１２やコイル１４のサイズを小さくせずに分注装置を構成することができる。これは、以下のような観点において有効である。

多軸型の分注装置に対しては、分注ヘッド間のピッチ（間隔）を小さくすることが要求される。これは、分注ヘッド間のピッチを小さくすることで多軸型の分注装置全体をコンパクト化して移動可能範囲を増やすことができるからである。しかしながら、これまでの複数の分注ヘッドの一列配置による多軸型の分注装置の場合、分注ヘッド間のピッチを小さくするためにはリニアシャフトモータの直径を小さくしなければならず、そのためには、永久磁石の直径を小さくするか、あるいはコイルの直径、すなわちコイルの巻数を減らさなければならない。これは、各軸の推力（駆動トルク）が小さくなることを意味する。しかるに、分注ヘッドの上下動には、所定の推力が要求される。これは、例えば図８を参照して、ノズル４３の先端に取り付けられるチップ４２の取外しを、液体の吸引、吐出場所とは別の場所において、チップ４２とノズル４３との間のくびれ部分をジグ（図示省略）で挟んだ状態にしてヘッド本体４１を上動させることにより、自動化することが行われているからである。言い換えれば、分注ヘッドの上下動の推力が小さくなると、チップ４２の自動取外しが困難になる。

上記のような事情に対し、本実施形態に係る８軸独立制御型の分注装置によれば、分注ヘッド間のピッチを小さくしたうえで、リニアシャフトモータの直径を小さくせずに、分注ヘッドの上下動に際して所定の推力（駆動トルク）を得ることができるので、上記のような問題を生じることがない。

（２）通常、リニアシャフトモータのコイル部は、コイル部毎にケーシングに収められている。これに対し、本実施形態では、複数の第１シャフト１１を隣接させて配置する構造のため、複数組のコイル部１５をまとめてユニット化しているので、コイルユニットにおける部品点数の削減、組立工数の削減、省スペース化を実現できる。

（３）また、各コイル部１５の軸方向の両側に磁気遮蔽板７０を設置し、コイル部１５の固定と磁気遮蔽板７０の固定を、硬化性の樹脂７５により同時に行うことができるようにしているので、この点からも、コイルユニットにおける部品点数の削減、組立工数の削減、省スペース化を実現できる。

以上、本発明を８軸独立制御型の分注装置に適用した場合の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に制限されるものでないことは言うまでもない。すなわち、本発明は、２軸以上の多軸分注装置であれば独立制御型、同時制御型のいずれにも適用可能であり、更には、分注装置に限らず、多軸型のリニアモータアクチュエータ全般に適用可能である。

１０：リニアシャフトモータ、１１：第１シャフト、１２：永久磁石、１３： 筒体、１４：コイル、１６：コイル一体化筒、３１：下側連結部材、３２：上側連結部材、４０：分注ヘッド、４１：ヘッド本体、４２：チップ、４３：ノズル、５０：コイル固定部材、５１：受入れ部、５２：コイルエンド、６０：センタープレート、７０：磁気遮蔽板、８０：回路基板、８３：ホールセンサ、９０：連結板、１００：検出器、１０２：フォトセンサ、１１１：センサ設置基板

Claims (6)

1. 複数の永久磁石を、同磁極同士を対向させて繋ぎ合わせ固定してシャフトを構成してなるリニアシャフトモータ用の磁石部と、複数の筒状のコイルを中心軸方向に繋ぎ合わせてなり、前記シャフトを、ギャップを介して同心状に内包しつつ前記シャフトとの間でその軸方向に関して相対的移動可能に組み合わされたリニアシャフトモータ用のコイル部とを備えたリニアシャフトモータを、所定ピッチで複数組一列に配置して成る多軸リニアモータアクチュエータにおけるコイルユニットの製造方法であって、
   前記複数組と同数の複数の前記コイル部を前記所定ピッチで一列に並べた状態で受入れ可能な受入れ部を持つコイル固定部材を用意する工程と、
   前記コイル固定部材に、前記複数のコイル部を一列に並べて配置する工程と、
   前記一列に並べて配置された前記複数のコイル部の少なくとも隣接するコイル部間に対応する箇所に軸方向に沿って前記コイル部よりも長い板状の磁気遮蔽板を配置する工程と、
   前記受入れ部における前記複数のコイル部と前記磁気遮蔽板との間に硬化性の樹脂を流し込んで硬化させる工程と、
   を含む多軸リニアモータアクチュエータにおけるコイルユニットの製造方法。
2. 前記シャフトは、前記複数の永久磁石を繋ぎ合わせたものを、非磁性材による筒体に収容してなり、
   前記コイル部は、前記複数のコイルを一体化するように当該コイル部に挿通されたコイル一体化筒であって、前記筒体の外径より大きな内径と、当該コイル部の両端から突出した突出部を持つ長さとを持つ樹脂製のコイル一体化筒を有し、
   前記コイル固定部材の前記受入れ部は、前記一列に並べて配置される前記複数のコイル部の受入れ空間の底面を規定する底壁と、前記受入れ空間を前記コイル部の軸方向と平行方向に関して規定するように互いに対向し合う一対の壁部材と、前記複数のコイル部から突出している前記突出部が挿入される複数の貫通孔を有して、前記複数のコイル部の両端側における前記一対の壁部材の間に設けられる一対のコイルエンドであって、少なくとも一方が前記底壁に取り外し可能にされたコイルエンドとを有する、請求項１に記載の多軸リニアモータアクチュエータにおけるコイルユニットの製造方法。
3. 前記磁気遮蔽板は、前記複数の永久磁石の可動範囲に亘る長さを有して、前記一対のコイルエンドのそれぞれに、前記受入れ空間の深さ方向に設けられた複数のスリットに装着され、
   前記磁気遮蔽板の幅は前記受入れ空間の深さよりも大きく、かつ少なくとも前記受入れ空間領域の一部領域に対応する部分の幅を前記受入れ空間の深さと同程度とすることにより、前記受入れ空間領域の一部領域に対応する部分に回路基板を取付け可能な構成とした、請求項２に記載の多軸リニアモータアクチュエータにおけるコイルユニットの製造方法。
4. 複数の永久磁石を、同磁極同士を対向させて繋ぎ合わせ固定してシャフトを構成してなるリニアシャフトモータ用の磁石部と、複数の筒状のコイルを中心軸方向に繋ぎ合わせてなり、前記シャフトを、ギャップを介して同心状に内包しつつ前記シャフトとの間でその軸方向に関して相対的移動可能に組み合わされたリニアシャフトモータ用のコイル部とを備えたリニアシャフトモータを、所定ピッチで複数組一列に配置して成る多軸リニアモータアクチュエータにおけるコイルユニットであって、
   前記複数組と同数の複数の前記コイル部と、
   前記複数のコイル部が前記所定ピッチで一列に並べた状態で受入れ部に配置されたコイル固定部材と、
   前記一列に並べて配置された前記複数のコイル部の少なくとも隣接するコイル部間に対応する箇所に中心軸方向に沿って配置され、前記コイル部よりも長い板状の磁気遮蔽板と、
   前記複数のコイル部と前記磁気遮蔽板とを同時に固定するために、前記受入れ部における前記複数のコイル部と前記磁気遮蔽板との間に流し込んで硬化される硬化性の樹脂と、
   を含む多軸リニアモータアクチュエータにおけるコイルユニット。
5. 前記シャフトは、前記複数の永久磁石を繋ぎ合わせたものを、非磁性材による筒体に収容してなり、
   前記コイル部は、前記複数のコイルを一体化するように当該コイル部に挿通されたコイル一体化筒であって、前記筒体の外径より大きな内径と、当該コイル部の両端から突出した突出部を持つ長さとを持つ樹脂製のコイル一体化筒を有し、
   前記コイル固定部材の前記受入れ部は、前記一列に並べて配置される前記複数のコイル部の受入れ空間の底面を規定する底壁と、前記受入れ空間を前記コイル部の中心軸方向と平行方向に関して規定するように互いに対向し合う一対の壁部材と、前記複数のコイル部から突出している前記突出部が挿入される複数の貫通孔を有して、前記複数のコイル部の両端側における前記一対の壁部材の間に設けられる一対のコイルエンドであって、少なくとも一方が前記底壁に取り外し可能にされたコイルエンドとを有する、請求項４に記載の多軸リニアモータアクチュエータにおけるコイルユニット。
6. 前記磁気遮蔽板は、前記複数の永久磁石の可動範囲に亘る長さを有して、前記一対のコイルエンドのそれぞれに、前記受入れ空間の深さ方向に設けられた複数のスリットに装着され、
   前記磁気遮蔽板の幅は前記受入れ空間の深さよりも大きく、かつ少なくとも前記受入れ空間領域の一部領域に対応する部分の幅を前記受入れ空間の深さと同程度とすることにより、前記受入れ空間領域の一部領域に対応する部分に回路基板を取付け可能な構成とした、請求項５に記載の多軸リニアモータアクチュエータにおけるコイルユニット。

Images